CN109027502B - 考虑截面声能量分布的管道降噪方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种考虑截面声能量分布的管道降噪方法，包括以下步骤：获取管道入射声波的频谱和模态信息，并针对该信息进行敷设在管道内壁面上的声衬设计；对声衬在高频段上的降噪效果进行评估，确定在管道内部布置附加吸声材料所针对的特定频率点及计算在此频率下的声学特性参数；根据所确定的特定频率点和声学特性参数，计算得到入射声波在敷设有声衬的管道截面上的声能量分布；选择适合布置在管道内部的附加吸声材料的结构类型，依据将其放置在声能量较为集中处这一准则，对布置在管道内部的附加吸声材料的结构设计参数进行初步设计；和综合优化布置在管道内部的附加吸声材料和敷设在管道内壁面上的声衬的设计参数，得到最终的管道降噪方案。

Description

考虑截面声能量分布的管道降噪方法

技术领域

本公开涉及管道降噪技术领域，尤其涉及一种考虑截面声能量分布的管道降噪方法。

背景技术

现代社会对噪声控制问题越来越关心，在行业、国家乃至国际层面上都对一些人们经常接触或噪声量巨大的工业产品，例如空调系统、汽车发动机、航空发动机等，制定了越来越严格的噪声释放标准。这些工业产品的噪声源很多都存在于管道中，因此在管道上进行声学处理以降低噪声是一种非常有效且普遍采取的途径。在管道噪声控制中，传统的技术手段是通过在管道内壁面上安装声衬来使得管道中的声波沿着轴向传播方向衰减。这种传统的降噪手段的降噪效果随着管道亥姆霍兹数(声波波数k与管道半径尺寸R的乘积)的增加和声波模态数的降低而变差。这种高频、低模态的噪声称为高可传播噪声。当噪声源具有较多的高可传播噪声成分时，在管道内壁面上安装声衬的传统降噪技术手段的降噪作用就显得不足。在截面尺寸比较小的管道中，这个问题出现在非常高的频率段。在截面尺寸比较大的管道中，在中频和高频段都可能遇到这个问题。

为了解决上述的管道壁面声衬在面对高频、低模态的高可传播噪声时降噪量不足的问题，在截面尺寸比较小的管道，例如空调管路、汽车发动机排气管等中，有应用在管道内部布置穿孔板等附加吸声材料来提高消声量的尝试，但是这种设计很多的是出于经验，缺乏物理认识和理论指导。在截面尺寸比较大的管道，例如民用航空发动机进、出口外涵道中，目前还是停留在在壁面上尝试各种各样的声衬结构来期望获得较大降噪量的阶段，但是在工程上也发现对于这样一些高频、低模态的高可传播噪声，无论何种声衬结构都难以实现有效降噪。

因此，由于目前的管道噪声设计对高频、低模态的高可传播噪声的降噪特点认识不足，从而对在管道内部布置附加吸声材料的必要性的认识也不够，即使在截面尺寸比较小的管道有过有效的工程尝试，但是也缺乏理论指导。

发明内容

针对在管道内壁面上安装声衬的传统降噪技术手段无法有效地降低管道中的高频、低模态的高可传播噪声以及已有的管道内部声学处理设计对其缺乏必要性认识和理论物理指导这一技术问题，本公开提出了一种考虑截面声能量分布的管道降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，获取管道入射声波的频谱信息和模态信息，并针对所述信息进行敷设在管道内壁面上的声衬设计；

步骤(2)，对敷设在管道内壁面上的声衬在高频段上的降噪效果进行评估，确定在管道内部布置附加吸声材料所针对的特定频率点以及计算在此频率下的声衬段的声学特性参数；

步骤(3)，根据在步骤(2)中所确定的特定频率点和计算出的声衬段的声学特性参数，计算得到入射声波在敷设有声衬的管道截面上的声能量分布；

步骤(4)，选择适合布置在管道内部的附加吸声材料的结构类型，依据将附加吸声材料放置在声能量较为集中处这一准则，对布置在管道内部的附加吸声材料的结构设计参数进行初步设计；和

步骤(5)，综合优化布置在管道内部的附加吸声材料和敷设在管道内壁面上的声衬的设计参数，得到最终的管道降噪方案。

优选地，在步骤(4)中，选择与所选取的附加吸声材料的结构类型相匹配的、衡量声能量在附加吸声材料附近的聚集程度的指标χ，并选定某一合适的阈值χ_th，根据在步骤(3)中所述的入射声波的声能量分布，初步设计布置在管道内部的附加吸声材料的结构参数，使得所述指标χ大于阈值χ_th。

优选地，阈值χ_th的范围为χ最大值的0.03～0.3倍。

在一种实施方式中，所述附加吸声材料的结构类型为在管道内部沿周向环形布置的多孔材料，所述声能量分布由管道截面上的无量纲径向声能量密度描述：

其中为无量纲径向坐标，为某一轴向位置截面上某点的声能量密度，指标χ与附加吸声材料的结构设计参数中间径向位置和径向厚度之间的关系为：

阈值χ_th的范围为0.03～0.3。

在另一种实施方式中，所述附加吸声材料的结构类型为在管道内部沿径向布置的多孔材料，指标χ与附加吸声材料的结构设计参数多孔材料的“轮条”个数N_p和单个“轮条”的周向厚度D_p之间的关系为：

其中R为管道半径，阈值χ_th的范围为0.03～0.3。

在又一种实施方式中，所述附加吸声材料的结构类型为在管道内部沿周向环形布置的穿孔板或微穿孔板，所述声能量分布由管道截面上的无量纲径向声能量密度描述：

其中为无量纲径向坐标，为某一轴向位置截面上某点的声能量密度，指标χ与附加吸声材料的结构设计参数R₁，R₂，…，R_M之间的关系为：

其中R₁，R₂，…，R_M为M圈穿孔板或微穿孔板的径向位置，阈值χ_th的范围为0.03M_max·γ_max～0.3M_max·γ_max，其中M_max为M的上限值，γ_max为γ的最大值。

在另一种实施方式中，所述附加吸声材料的结构类型为在管道内部沿径向布置的穿孔板或微穿孔板，指标χ与附加吸声材料的结构设计参数穿孔板或微穿孔板的个数N的关系为

χ(N)～N

即指标χ是结构设计参数N的单调增函数，

阈值χ_th的范围为0.03N_max～0.3N_max，其中N_max为N的上限值。

优选地，在步骤(2)中，对可能存在高可传播模态声波的频率下限f_c进行估算，在此频率下限f_c之上选取在在管道内壁面上敷设了声衬之后噪声量最大的频率点，作为在管道内部布置附加吸声材料所针对的特定频率点。

优选地，在步骤(5)中，利用数值计算软件联合传统的声衬降噪设计方法，综合优化在管道内部布置附加吸声材料和在管道内壁面上敷设声衬这两种技术手段所涉及的设计参数。

优选地，所述设计参数不仅包括所述声衬和附加吸声材料的结构参数，还包括所述声衬和附加吸声材料的声学特性参数。

本公开研究了高频、低模态的高可传播噪声在管道中的降噪特点，从而阐明了仅在管道内壁面上安装声衬的传统降噪技术手段无法有效地降低管道中的这类噪声的原因，通过将在管道内壁面上敷设声衬的传统声衬降噪设计方法与考虑截面声能量分布在管道内部布置附加吸声材料的设计方法相结合，解决了传统管道降噪方法对高频、低模态的高可传播噪声降噪量不足的问题，有效提高了对高频、低模态的高可传播噪声的降噪量。

附图说明

附图示出了本公开的示例性实施方式，并与其说明一起用于解释本公开的原理，其中包括了这些附图以提供对本公开的进一步理解，并且附图包括在本说明书中并构成本说明书的一部分。

图1是在无流动圆形管道中，无量纲波数时，(5,0)模态声波在不同壁面声衬阻抗下的关系图；

图2是本公开至少一个实施方式的使用多孔材料在管道内部布置附加吸声材料的结构示意图；和

图3是本公开至少一个实施方式的使用穿孔板或微穿孔板在管道内部布置附加吸声材料的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于解释相关内容，而非对本申请的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本申请相关的部分。

首先，需要认识高频、低模态的高可传播噪声在管道中的降噪特点，以找出原因解释为何在管道内壁面上安装声衬的传统降噪技术手段无法有效地降低管道中的这类噪声。为了简单起见，考虑均匀、无限长、圆形管道(即安装的是均匀的无限长声衬)中单个模态入射的情况，在这种情况下，可以通过引入软壁面(敷设有声衬的壁面)管道中截止比ξ的概念来判断声波的截止程度或可传播程度：

其中M为平均流马赫数，为无量纲径向波数，也即无量纲径向特征值，(其中k为波数，R为管道半径)，也即圆形管道的亥姆霍兹数，Re()表示取实部。截止比ξ包含了频率、模态数和马赫数对声波在管道中的可传播性的影响，且对于高频、低模态的高可传播声波，其截止比ξ会大于一定值，从而可以设定截止比ξ的范围来定量定义何为所述的高频、低模态的高可传播声波。例如，这里定义截止比ξ＞2的声波为高可传播模态声波。

管道中声波降噪量的衡量指标可以采用行业普遍通行的传声损失概念，在假定管道安装的声衬是无限长时，在定义传声损失时需要给定轴向长度，在一个实施例中，取轴向长度为单位管道半径长度，从而作为降噪量衡量指标的传声损失的定义为：

其中为无量纲的轴向波数，Im()表示取虚部。

定义关于无量纲径向坐标的函数为

其中为某一轴向位置截面上某点的声能量密度。在本申请的实施例的情况下，声能量密度在声衬段中间截面(无量纲轴向坐标为)上各点的值可以表示为：

其中，ρ₀为密度，c₀为声速，U₀为管道中平均流的流速，p为管道中的声压，v为管道中的声质点速度，<·>表示时间平均。

可以看出函数的表达式中的方括号中第一项表示径向位置在到的圆环面上的声能量占整个管道截面上的声能量的比，并且有：

则函数有类似于普通物理中线密度的概念，称为管道截面上的无量纲径向声能量密度，表征的是声能量在无量纲半径为的圆附近声能量的集中程度，因而此函数在管道内壁面处的取值为：

γ_w＝γ (1)

其反映了声能量在管道内壁面处的集中程度。

另外，引入法向吸声系数α的概念，其表示的是声衬软壁面对附近声能量的吸收程度。在考虑了曲率影响后，其计算公式可推导为：

其中和分别为第一类和第二类汉克尔函数。

研究发现，在内壁面铺设了均匀声衬的无限长管道中，对于高可传播模态声波，即截止比ξ＞2的模态声波，改变声衬软壁面的阻抗值，每半径轴向长度管道的降噪量TL^R与反映截面声能量分布的参数γ_w和反映声衬软壁面吸声能力的参数α的乘积都近似地有如下正比例关系：

TL^R＝C·(γ_w·α)

且比例系数C的值约为2，常数C的取值随流动马赫数、亥姆霍兹数和周向模态数的增加而有些微减小的趋势，但是其取值仍然在2附近。

从而可以得到结论：对于管道中的高频、低模态的高可传播声波(这里即截止比ξ＞2的模态声波)，管道中的消声量不仅与软壁面的吸声系数有关，还与截面的声能量分布有关；又因为改变声衬软壁面阻抗值总能使吸声系数取到最大值1，因此降噪量TL^R不足主要是由γ_w不足引起的，即对于高可传播模态声波，通过优化设计壁面声衬的做法，无法使得声能量在管道内壁面处的集中程度达到理想的程度。这就解释了为何传统声衬降噪手段无论如何优化仍对高频、低模态的高可传播噪声无能为力的原因。

进一步研究发现，对于高频、低模态的高可传播模态声波，优化管道内壁面安装的声衬的软壁面阻抗值，其实是在保持软壁面的吸声系数不太低的情况下，使得模态声波的声能量更多地向软壁面集中，从而实现大的降噪量。尽管如此，即使在最优阻抗下，仍然有大部分的声能量分布在软壁面难以“触及”的管道内部，从而限制了最大降噪量的数值。例如，图1示出了在无流动圆形管道中，无量纲波数时，(5,0)模态声波在不同阻抗下的关系图，其反映的是在不同阻抗下的声能量径向分布图，z_s为声衬软壁面的无量纲声阻抗率，z_s＝3.3-0.5i为最优阻抗，从图中可见，即使在最优阻抗下，仍有大部分声能量分布在管道内部，这也给出了关于如何有效地降低高频、低模态的高可传播噪声的指导，即需要在管道内部布置附加吸声材料，且需要基于截面上声能量的分布情况进行设计，将附加吸声材料放置在声能量较为集中处。

通过数值计算还发现，按照将附加吸声材料放置在声能量较为集中处这一准则初步设计的管道降噪声处理能够非常有效地提高高频、低模态的高可传播模态声波的降噪量。

下面将参考附图并结合实施方式来详细说明本申请的考虑截面声能量分布的管道降噪方法的步骤，需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。

步骤(1)，获取管道入射声波的频谱信息和模态信息，并针对所述信息进行敷设在管道内壁面上的声衬设计。

其中，可以通过对具体声源的理论分析，例如，用泰勒-索夫林理论分析风扇转静干涉噪声，或者通过模态分解技术等实验测量手段得到入射噪声的频谱信息和模态信息。

步骤(2)，对敷设在管道内壁面上的声衬在高频段上的降噪效果进行评估，确定在管道内部布置附加吸声材料所针对的特定频率点以及计算在此频率下的声衬段的声学特性参数。

在步骤(2)中，在一个优选的实施方式中，可以对可能存在高可传播模态声波的频率下限f_c进行估算，在此频率下限f_c之上选取在在管道内壁上敷设了声衬之后噪声量最大的频率点，作为在管道内部布置附加吸声材料所针对的特定频率点。该选取可以基于计算得到所设计的声衬的降噪量频谱曲线，并将其与在步骤(1)中获取的入射噪声的频谱信息进行对比分析获得。

此特定频率点高于某一频率下限f_c，以使得存在高可传播噪声，且在此频率下有较多的噪声没有被声衬所吸收。频率下限f_c具体判断需要结合管道尺寸和噪声模态来确定，管道尺寸越大，频率下限f_c越小。

在步骤(2)中所描述的声学特性参数可以是声压和声质点速度。

步骤(3)，根据在步骤(2)中所确定的特定频率点和计算出的声衬段的声学特性参数，计算得到入射声波在敷设有声衬的管道截面上的声能量分布。

该声能量分布可为声能量密度在声衬段中间截面上各点的值其具体表达式可以如前所述。

步骤(4)，选择适合布置在管道内部的附加吸声材料的结构类型，依据将附加吸声材料放置在声能量较为集中处这一准则，对布置在管道内部的附加吸声材料的结构设计参数进行初步设计。

在步骤(4)中，在对布置在管道内部的附加吸声材料的结构设计参数进行初步设计时，可以考虑具体限制条件来限制参数的取值范围，例如，因为实际流动阻力不能过大，所以附加吸声材料所占的横截面的总面积或流体接触表面积会有一个上限。

优选地，在步骤(4)中，选择与所选取的附加吸声材料的结构类型相匹配的、衡量声能量在附加吸声材料附近的聚集程度的指标χ，并选定某一合适的阈值χ_th，根据在步骤(3)中所述的入射声波的声能量分布，初步设计布置在管道内部的附加吸声材料的结构参数，使得所述指标χ大于阈值χ_th。

常用的阈值χ_th范围可以为χ最大值的0.03～0.3倍。

步骤(4)中所涉及的布置在管道内部的附加吸声材料的结构类型可包括但不限于如图2和图3所示的四种情况，其具体结构特点、管道内部附加吸声材料的结构设计参数和衡量声能量在附加吸声材料附近聚集程度的指标χ的表达式以及阈值χ_th可能的取值范围分别如下：

图2中左图的结构类型为所述附加吸声材料为多孔材料，所述多孔材料在管道内部沿周向环形布置，多孔材料表面可以铺装穿孔板、金属丝网或透声膜等覆盖物，整个结构可以通过连接在管道上的合适的金属支架支撑固定。

此种结构的结构设计参数如图2所示为中间径向位置R_p和径向厚度ΔR_p。

对于周向布置的多孔材料，可以利用前面所定义的管道截面上的无量纲径向声能量密度函数建立起初步设计阶段指标χ与结构设计参数和之间的关系。具体地，通过对函数在无量纲半径到积分得到衡量声能量在附加吸声材料附近聚集程度的指标χ：

这种定义下χ的最大值为1，从而阈值χ_th的范围为0.03～0.3。

图2中右图的结构类型为所述附加吸声材料为多孔材料，所述多孔材料在管道内部沿径向布置，多孔材料表面可以铺装穿孔板、金属丝网或透声膜等覆盖物，整个结构可以支撑固定在管道中。

此种结构的结构设计参数如图2所示为多孔材料的“轮条”个数N_p和单个“轮条”的周向厚度D_p。

对于径向布置的多孔材料，由于声能量在周向上是均匀分布的，并考虑到实际中单个“轮条”的周向厚度D_p取值不会过大，因此衡量声能量在附加吸声材料附近聚集程度的指标χ与结构设计参数N_p和D_p的关系可以简单表示为：

其中R为管道半径。可以看到这时候指标χ是结构设计参数N_p和D_p乘积的单调增函数。这种定义下χ的最大值也为1，从而阈值χ_th的范围为0.03～0.3。

图2中“轮条”个数N_p为4，但本领域技术人员可知，N_p的取值不限于此。

图3中左图结构类型为所述附加吸声材料为穿孔板或微穿孔板，所述穿孔板或微穿孔板在管道内部沿周向布置，穿孔板或微穿孔板表面可以铺装金属丝网或透声膜等覆盖物，整个结构可以通过连接在管道上的合适的金属支架支撑固定。

此种结构的结构设计参数如图3所示为穿孔板或微穿孔板的径向位置R₁，R₂，…，R_M(图中只展示了布置两圈穿孔板或微穿孔板，实际中可以布置多圈，这里总圈数记为M)。

对于周向布置的穿孔板或微穿孔板，也可以利用前面所定义的管道截面上的无量纲径向声能量密度函数建立起初步设计阶段指标χ与结构设计参数R₁，R₂，…，R_M之间的关系。此时由于穿孔板或微穿孔板很薄，所以不再是积分，而是求和：

这种定义下，因为圈数M理论上可以取无穷多，从而χ的理论最大值为无穷大，但是实际中M取值有一个上限值M_max，从而实际χ有一个上限M_max·γ_max(γ_max表示γ的最大值)，从而阈值χ_th的范围为0.03M_max·γ_max～0.3M_max·γ_max。

图3中右图结构类型为所述附加吸声材料为穿孔板或微穿孔板，所述穿孔板或微穿孔板在管道内部沿径向布置，穿孔板或微穿孔板表面可以铺装金属丝网或透声膜等覆盖物，整个结构可以支撑固定在管道中。

此种结构的结构设计参数如图3所示为穿孔板或微穿孔板的个数N。

对于径向布置穿孔板或微穿孔板，由于声能量在周向上是均匀分布的，因此衡量声能量在附加吸声材料附近聚集程度的指标χ与结构设计参数N的关系可以表示为

χ(N)～N

即指标χ是结构设计参数N的单调增函数。

这种定义下，因为N理论上可以取无穷多，从而χ的理论最大值为无穷大，但是实际中N取值有一个上限值N_max，从而实际χ有一个上限N_max(γ_max表示γ的最大值)。从而阈值χ_th的范围为0.03N_max～0.3N_max。

步骤(5)，综合优化布置在管道内部的附加吸声材料和敷设在管道内壁面上的声衬的设计参数，得到最终的管道降噪方案。

在步骤(5)中，可以利用数值计算软件，联合传统的声衬降噪设计方法，综合优化在管道内部布置附加吸声材料和在管道内壁面上敷设声衬这两种技术手段所涉及的设计参数，该设计参数可不仅包括前面提到的结构设计参数，还包括声学特性等设计参数，例如多孔材料的流阻率、穿孔板/微穿孔板的穿孔率等，从而得到最终的管道降噪方案。

本领域的技术人员应当理解，上述实施方式仅仅是为了清楚地说明本公开，而并非是对本公开的范围进行限定。对于所属领域的技术人员而言，在上述公开的基础上还可以做出其它变化或变型，并且这些变化或变型仍处于本公开的范围内。

Claims (10)

1.一种考虑截面声能量分布的管道降噪方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤(1)，获取管道入射声波的频谱信息和模态信息，并针对所述信息进行敷设在管道内壁面上的声衬设计；

步骤(2)，对敷设在管道内壁面上的声衬在高频段上的降噪效果进行评估，确定在管道内部布置附加吸声材料所针对的特定频率点以及计算在此频率下的声衬段的声学特性参数；

步骤(3)，根据在步骤(2)中所确定的特定频率点和计算出的声衬段的声学特性参数，计算得到入射声波在敷设有声衬的管道截面上的声能量分布；

步骤(4)，选择适合布置在管道内部的附加吸声材料的结构类型，依据将附加吸声材料放置在声能量较为集中处这一准则，对布置在管道内部的附加吸声材料的结构设计参数进行初步设计：和

步骤(5)，综合优化布置在管道内部的附加吸声材料和敷设在管道内壁面上的声衬的设计参数，得到最终的管道降噪方案。

2.根据权利要求1所述的管道降噪方法，其特征在于，

在步骤(4)中，选择与所选取的附加吸声材料的结构类型相匹配的、衡量声能量在附加吸声材料附近的聚集程度的指标χ，并选定某一合适的阈值χ_th，根据在步骤(3)中所述的入射声波的声能量分布，初步设计布置在管道内部的附加吸声材料的结构参数，使得所述指标χ大于阈值χ_th。

3.根据权利要求2所述的管道降噪方法，其特征在于，

阈值χ_th的范围为χ最大值的0.03～0.3倍。

4.根据权利要求2所述的管道降噪方法，其特征在于，

所述附加吸声材料的结构类型为在管道内部沿周向环形布置的多孔材料，所述声能量分布由管道截面上的无量纲径向声能量密度描述：

其中为无量纲径向坐标，为某一轴向位置截面上某点的声能量密度，指标χ与附加吸声材料的结构设计参数中间径向位置和径向厚度之间的关系为：

阈值χ_th的范围为0.03～0.3。

5.根据权利要求2所述的管道降噪方法，其特征在于，

所述附加吸声材料的结构类型为在管道内部沿径向布置的多孔材料，指标χ与附加吸声材料的结构设计参数多孔材料的“轮条”个数N_p和单个“轮条”的周向厚度D_p之间的关系为：

其中R为管道半径，阈值χ_th的范围为0.03～0.3。

6.根据权利要求2所述的管道降噪方法，其特征在于，

所述附加吸声材料的结构类型为在管道内部沿周向环形布置的穿孔板，所述声能量分布由管道截面上的无量纲径向声能量密度γ(r^～)描述：

其中为无量纲径向坐标，为某一轴向位置截面上某点的声能量密度，指标χ与附加吸声材料的结构设计参数R₁，R₂，…，R_M之间的关系为：

其中R₁，R₂，…，R_M为M圈穿孔板的径向位置，阈值χ_th的范围为0.03M_max·γ_max～0.3M_max·γ_max，其中M_max为M的上限值，γ_max为γ的最大值。

7.根据权利要求2所述的管道降噪方法，其特征在于，

所述附加吸声材料的结构类型为在管道内部沿径向布置的穿孔板，指标χ与附加吸声材料的结构设计参数穿孔板的个数N的关系为

χ(N)～N

即指标χ是结构设计参数N的单调增函数，

阈值χ_th的范围为0.03N_max～0.3N_max，其中N_max为N的上限值。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的管道降噪方法，其特征在于，

在步骤(2)中，对可能存在高可传播模态声波的频率下限f_c进行估算，在此频率下限f_c之上选取在管道内壁面上敷设了声衬之后噪声量最大的频率点，作为在管道内部布置附加吸声材料所针对的特定频率点。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的管道降噪方法，其特征在于，

在步骤(5)中，利用数值计算软件联合传统的声衬降噪设计方法，综合优化在管道内部布置附加吸声材料和在管道内壁面上敷设声衬这两种技术手段所涉及的设计参数。

10.根据权利要求9所述的管道降噪方法，其特征在于，

所述设计参数不仅包括所述声衬和附加吸声材料的结构参数，还包括所述声衬和附加吸声材料的声学特性参数。